以系统治理理念提高中小水库防洪能力_钮新强.pdf

水前沿2023.1中国水利据 2020年全国水利发展统计公报，我国共建成水库 98 566座，中小型水库占比约 99.2%，其中中型水库4098座，库容1179亿m3，小型水库93 694座，库容717亿m3。我国高度重视水库大坝安全。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要 提出要提升水旱灾害防御能力，实施防洪提升工程，解决防汛薄弱环节，加快防洪控制性枢纽工程建设和中小河流治理、病险水库除险加固。水利部高度重视水利工程防洪安全，提出“人员不伤亡、水库不垮坝、重要堤防不决口、重要基础设施不受冲击”的“四不”要求。我国中小型水库量大面广，是水利工程防洪安全的重要组成部分。1954 年至今，我国各类水库共发生溃坝约3550座，其中中小型水库大坝占比99.9%，中小型水库防洪能力对水库自身安全及国家整体防洪安全极为重要。一、中小型水库防洪能力现状1.防洪标准偏低我国现行水库等级划分与防洪标准选择方法是以工程规模、效益和在经济社会中的重要性，按库容、防洪、治涝、灌溉、供水、发电等6个类别的9项指标来确定的，采用“就高不就低”的原则，先确定工程等别，再根据工程等别确定建筑物级别，最后根据建收稿日期：2022-10-31作者简介：钮新强，中国工程院院士。基金项目：高坝深水渗漏新型探测设备研发（CX2019Z24）；湖北省抗洪抢险关键技术研究与示范（2020BCA083）。以系统治理理念提高中小水库防洪能力钮新强1，2，谭界雄1，3，李星1，3，田金章1，3（1.国家大坝安全工程技术研究中心，430010，武汉；2.长江设计集团有限公司，430010，武汉；3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）摘要：我国水库总数的99%为中小型水库，在生产生活中发挥着重要作用，中小型水库大坝安全意义重大。随着极端气象事件频发、大坝“老龄化”、运行环境变化，我国中小型水库防洪安全面临巨大挑战。分析了中小型水库防洪能力现状及面临的挑战，提出了系统治理理念，通过创新防洪安全理念、适当提升防洪标准、持续推进防洪能力达标、提高信息化管理水平等系统治理措施，不断提高我国中小型水库防洪能力。关键词：中小型水库；防洪；系统治理Upgrading flood control capacity of small and medium-sized reservoirs with concept of systematicmanagement/Niu Xinqiang,Tan Jiexiong,Li Xing,Tian JinzhangAbstract:Small and medium-size reservoirs occupy 99%of the total in China.These reservoirs playimportant roles in production and life and their safety is of great significance.China is facing great challengesalong with frequent occurrence of extreme weather events,“aging”of dams and changes of operatingenvironment.With review and analysis of current situation and challenges of flood control,the concept ofsystematic governance is proposed in order to upgrade flood control capacities of small and medium-sizedreservoirs.Measures of innovating the concept of flood control safety,improving flood control standard,enhancing flood control capacity to meet the standard,and improving the level of information management aregiven to continuously improve capabilities of these reservoirs in flood prevention.Keywords:medium and small reservoirs;control flood;systematic management中图分类号：TV697文献标识码：B文章编号：1000-1123（2023）01-0011-0411CHINA WATER RESOURCES2023.1水前沿筑物级别确定防洪标准。美国现行大坝等级划分和防洪标准是以大坝失事所造成的潜在危害来确定的。对于失事或调度失误有可能造成生命损失的高风险等级大坝，美国联邦应急管理署（FEMA）的防洪标准采用水文设计最高标准，即 PMF。如表 1所示，我国山区、丘陵区中小型水库的校核洪水标准最高等级为2000年一遇，最低等级为100年一遇，平原、滨海区中小型水库的校核洪水标准最高等级为 300年一遇，最低等级为 20年一遇。与美国高风险等级大坝的防洪标准相比，我国中小型水库，尤其是小型水库的防洪标准仍存在一定差距。同时，美国、英国、加拿大等均将水库潜在失事可能造成的生命、财产损失作为确定防洪标准的主要因素，而我国没有明确将生命安全单列为防洪标准的考量因素。2.防洪能力复核标准偏低大坝安全鉴定是水库大坝运行管理工作的重要环节，中小型水库大坝安全鉴定主要按照或参照 水库大坝安全评价导则（SL 2582017）执行，按防洪能力复核要求对防洪标准、设计洪水复核计算、调洪计算、大坝抗洪能力进行复核。防洪标准复核是复核水库工程等别、建筑物级别和防洪标准是否符合防洪标准（GB 502012014）和 水利水电工程等级划分及洪水标准 的规定。根据 水库大坝安全评价导则，对于执行 防洪标准 和 水利水电工程等级划分及洪水标准 确有困难的，水库防洪标准复核按1989年颁布的 水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准的意见 执行。即非常运用洪水标准不得低于近期非常运用洪水标准，洪水标准如表 2所示。由表可知，该防洪安全复核的洪水标准明显低于现行规范要求。如土石坝 3级建筑物的校核洪水标准，水利水电工程等级划分及洪水标准 规定为2000年一遇1000年一遇，而表 2中的土石坝近期非常运用洪水标准规定仅为500年一遇。此外，部分省区确定的4级、5级建筑物近期非常运用标准偏低，有的甚至低于 水利水电工程等级划分及洪水标准 的要求，如表3所示。3.部分水库泄洪能力不足我国早期修建的中小型水库大坝放水设施部分采用坝体埋管形式，超泄能力先天不足，加之运行时间过长、坝体沉降等，涵管老化、破裂、堵塞等问题突出，遭遇洪水时泄洪能力极为有限。据统计，全国中型水库共有 169座无泄洪设施，小型水库3845座无泄洪设施。中小型病险水库除险加固后，部分水库大坝增设了泄洪通道，但部分水库泄洪设施可靠性难以保证，部分行洪通道被侵占，严重影响泄洪能力。二、中小型水库防洪安全面临的挑战1.极端天气事件频发19542018 年间全国各类水库发生溃坝事件3541 起，中小型水库溃坝占比 96.27%，其中 1/3 以上是由于遭遇特大洪水、设计洪水偏低和泄洪设备表1中国与美国防洪标准对比工程规模中型小（1）型小（2）型分区山区、丘陵区平原、滨海区山区、丘陵区平原、滨海区山区、丘陵区平原、滨海区设计洪水（中国）100年一遇50年一遇50年一遇20年一遇50年一遇30年一遇20年一遇10年一遇30年一遇20年一遇10年一遇校核洪水（中国）混凝土坝浆砌石坝1000年一遇500年一遇300年一遇100年一遇500年一遇200年一遇100年一遇50年一遇200年一遇100年一遇50年一遇20年一遇土坝堆石坝2000年一遇1000年一遇1000年一遇300年一遇300年一遇200年一遇FEMA（美国）高风险PMFPMFPMF显著风险0.1%洪水0.1%洪水0.1%洪水低风险1%洪水或具有正当理由的更小洪水1%洪水或具有正当理由的更小洪水1%洪水或具有正当理由的更小洪水表2永久性水工建筑物近期非常运用洪水标准表坝型土石坝混凝土坝、浆砌石坝工程规模12000年一遇1000年一遇21000年一遇500年一遇3500年一遇300年一遇4-5-12水前沿2023.1中国水利失灵，引起洪水漫顶而失事。中小型水库由于工程规模小、防洪标准偏低、泄洪能力不足，一旦遇到超过防洪能力的洪水，如无应急措施，工程本身极易被破坏。受全球性气候变化影响，我国强降水等极端事件增多增强，气候风险水平趋于上升。根据统计，我国19912020 年气候风险指数平均值（6.8）较 19611990年平均值（4.3）增加了58%。以全球变暖为主要特征的气候变化，导致大气持水能力增加，增加了特大暴雨、超标准洪水发生的概率和强度。按水库运行阶段统计，因超标准洪水导致的溃坝 19541979年 279 座（占比 10%），19801999 年 150 座（占比28%），2000年至今 45座（占比 44%），超标准洪水导致溃坝比例呈增大的趋势。2.运行环境发生变化随着我国经济社会发展，水库下游影响区人口、社会经济当量增加，“都市型”水库增多，保护对象、运行环境、运行维护边界发生了显著变化。随着城市化进程的加快，大多数水库由“郊野型”变为“都市型”，例如，深圳市共有水库 177座（其中中小型水库175座），其中都市型水库134座（占比76%）。大多数都市型水库下游保护对象为人口密集的商业中心、居民区、重要交通通道等，水库大坝必须确保万无一失，例如，湖北省陆水水库主坝和#8副坝紧邻赤壁市城区，城区人口近 50万人，下游 28 km范围内有京广铁路、京广高铁、京港澳高速公路等国家重要交通基础设施，#2副坝泄洪闸和#1B副坝爆溃式非常溢洪道下游行洪通道附近已建成居民区。水库大坝运行环境发生变化后，一旦溃坝造成的损失和危害较原设计时不可同日而语，对水库运行安全、应急保障提出更高的要求。3.水库大坝超期服役、老龄化严重水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范（SL 6542014）规定，中、小型水库合理使用年限为50年，我国中小型水库中的81%建于20世纪5070年代，已超过规范允许的合理使用年限，且受当时技术水平低、资金有限、施工质量不高等影响，部分水库防洪标准偏低，安全隐患突出，水库出险及溃坝时有发生。1998 年大水后，我国累计投入近 3000 亿元对2800座大中型病险水库、6.9 万座小型病险水库进行除险加固，目前仍有 1.3 万多座存量病险水库待加固，每年还有增量病险水库，已加固的小型水库中尚有1.65万座未竣工验收，部分大坝处于“亚健康”状态。4.安全管理智慧化建设滞后（1）无法及时获取小型水库的运行状态根据水利部2016年发布的全国水库大坝安全监测设施建设与运行现状调查报告，小型水库设有水位观测、渗流量监测、渗压监测、变形监测设施的分别占 49.60%、6.50%、3.09%和 9.03%。当前，大部分小型水库仍缺乏安全监测设施，无法及时获取、分析安全监测信息，掌握大坝安全性态。（2）基于大数据的大坝安全管理存在局限大坝安全管理尚停留在收集监测数据层面，未建立有效实用的多元信息融合、多维度综合的在线快速分析及智能评价体系用于评判大坝运行性态。此外，目前的大坝安全监测管理系统主要针对单个水库大坝，在面对流域水库群规模庞大、单元众多、关系错综、结构复杂的动态多目标系统时，大坝安全监测海量级数据使得传统的存储方式、分析方法及系统集成方法并不适用。三、系统提高中小型水库防洪能力中小型水库量大面广，在农业、工业等方面发挥着重要的作用，特别是小型水库主要分布在农村，是农村重要的水源，对农村经济发展起到积极的作用。中小型水库防洪安全意义重大，需坚持系统治理理念提升其防洪能力。系统治理是指综合运用多种手段，从理念、标准、技术、管理等方面出发，统筹注：广西数据来源于桂水电技字（1990）第51号文，四川数据来源于四川省水电（89）规设字第267号文。表34级和5级永久性水工建筑物近期非常运用洪水标准表坝型土石坝混凝土坝、浆砌石坝广西4级建筑物300年一遇100年一遇5级建筑物100年一遇50年一遇四川4级建筑物300年一遇200年一遇5级建筑物200年一遇100年一遇SL2522017中的山区、丘陵区水库工程4级建筑物1000年一遇300年一遇500年一遇200年一遇5级建筑物300年一遇200年一遇200年一遇100年一遇13CHINA WATER RESOURCES2023.1水前沿理念与技术、工程措施与非工程措施、分级行政管理与智慧统一管理等，通过创新防洪安全理念、完善洪水标准体系、推进水库除险加固、提高信息化管理水平，不断提升中小型水库防洪能力。1.创新大坝防洪安全理念保障上下游水库防洪安全。考虑流域水库规模的协调，统筹考虑上下游水库的设计洪水标准，制定对应的防洪调度方案及应对措施，保障大坝在极端条件下的安全。如 2021年内蒙古永安、新发水库连溃事故中，下游新发水库（中型，平原型）的校核洪水标准（300年一遇）低于上游永安水库（小（1）型，山区丘陵型）的校核洪水标准（500年一遇），且下游新发水库的洪水标准未考虑上游水库溃坝的影响。保障全生命期大坝防洪安全。规划设计阶段，按照 水利水电工程等级划分及洪水标准（SL 2522017）规定的“梯级水库洪水标准要相互协调”，合理选择水库洪水标准，考虑经济社会发展趋势及上下游水库规划情况。建设阶段，选择合适的行洪方式，尤其利用大坝底孔、隧洞、涵管过流时，应考虑洪水流量与过流能力，保障大坝在汛期的安全。运行阶段，加强大坝安全监测，定期开展安全评价，加强极端天气预报预警，制定合理的调度方案与科学、有效的应急预案。2.适当提升中小型水库防洪标准引入风险评估技术，根据水库失事或调度失误可能对下游地区造成的人员伤亡和经济损失、“生命线”中断、环境破坏等灾害后果，研究制订我国中小型水库潜在风险等级分类标准，对全国中小型水库的防洪标准开展专项普查，识别高风险等级的中小型水库，建立名录数据库，由第三方独立机构开展抽查评估。根据水库所在流域位置和坝型、坝高、库容，以及水库失事可能对下游地区造成的人员伤亡、经济损失、环境破坏等灾害后果，充分考虑经济社会发展、水库功能和防洪保护对象发生的变化，复核水库洪水标准，借鉴国外同类经验，适当提高我国高风险等级中小型水库的防洪标准。3.持续推进中小型病险水库防洪能力达标根据“十四五”中小型水库除险加固实施方案和年度计划，加快推进中小型水库防洪能力达标，尽早消除水库病险隐患。结合中小型水库所在地区的经济社会发展水平，按轻重缓急原则，分地区、分阶段、科学合理地制订及实施中小型水库除险加固计划。研究提高大坝安全评价中防洪复核的洪水标准，中小型水库洪水标准统一按现行规范（SL 2522017）进行防洪能力复核及防洪安全性评价，避免低标准达标，保障中小型水库加固后安全运行。推进制订水库除险加固相关勘察设计规范，构建水库安全鉴定除险加固后评估的全过程管理体系，完善水库大坝除险加固机制。4.数字赋能提高中小型水库信息化管理水平加强数字科技引领，依靠互联网、大数据、边缘计算等信息化技术手段，解决中小型水库安全管理的“最后一公里”问题。运用大数据技术，汇集中小型水库相关数据，挖掘数据潜在信息价值，并将数据赋能于管理，实现数据的科学有效利用。基于云计算、大数据、物联网、人工智能、移动互联网技术，深度融合水库标准化管理内容与信息化技术手段，全方位提高中小型水库雨水情监测、工程安全监测、洪水预报调度、应急调度与预案、水库巡检等工作的信息化管理水平，实现粗放式管理向精细化管理、传统管理向数字化管理的转变。四、结 语新时期中小型水库的防洪安全仍是我国大坝安全的重要组成部分。面对中小型水库防洪安全存在的问题及面临的挑战，一方面要树立新时期安全理念、完善洪水标准体系，另一方面要推进大坝自身防洪能力达标、提高信息化管理水平，以系统治理理念高质量推进中小型水库防洪能力的提升。参考文献：1 中华人民共和国水利部.2020年全国水利发展统计公报M.北京：中国水利水电出版社，2021.2 中国气象局气候变化中心.中国气候变化蓝皮书（2021）M.北京：科学出版社，2021.3 李宏恩，马桂珍，王芳，等.20002018年中国水库溃坝规律分析与对策J.水利水运工程学报，2021（5）.4 李云，王晓刚，祝龙，等.超标准洪水条件下土石坝安全性应急判别分析J.水科学进展，2012（4）.5 谭界雄，李星，谭政，等.新时期水库安全管理若干问题的探讨J.中国水利，2021（18）.6 王健，王士军.全国水库大坝安全监测现状调研与对策思考J.中国水利，2018（20）.责任编辑李卢祎14